熱處理溫度對麻櫟木材尺寸穩(wěn)定性的影響1)

劉元初 劉瑩瑩 魏慶健 梁博楠 趙景堯

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

麻櫟(Quercusacutissima)是我國溫帶、亞熱帶地區(qū)典型闊葉林的主要組成和優(yōu)勢樹種，也是我國重要的國家戰(zhàn)略儲(chǔ)備林樹種。該種木材材質(zhì)堅(jiān)硬、強(qiáng)度高、耐腐朽、紋理美觀，主要用于枕木、橋梁、地板、家具制造等領(lǐng)域。但由于麻櫟木材密度較大，木材吸濕和解吸過程中容易變形，尤其是木材干燥過程極易發(fā)生開裂，因此其尺寸穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。木材高溫?zé)崽幚硎菓?yīng)用較為廣泛的改善木材尺寸穩(wěn)定性的物理改性方法，其主要優(yōu)點(diǎn)是改性過程中無需添加任何化學(xué)藥劑，保持了木材的環(huán)境友好性。高溫?zé)崽幚砜梢允鼓静陌肜w維發(fā)生降解，細(xì)胞壁中羥基減少，結(jié)晶區(qū)和結(jié)晶度增加，從而使得木材吸濕性和吸水性降低[1-4]。熱處理可使木材材色加深、木材尺寸穩(wěn)定性提高、平衡含水率降低，還可以提高木材的生物耐久性，使木材在戶外的應(yīng)用成為可能。

熱處理是工業(yè)化最成功、經(jīng)濟(jì)效益最顯著的木材改性方法[5]。關(guān)于熱處理對木材尺寸穩(wěn)定性影響方面的研究，已有較多研究成果[6-11]，主要集中于熱處理方法、熱處理工藝等方面，并且多數(shù)集中于針葉材樹種，而對闊葉材樹種的熱處理研究則相對較少[12-13]。為此，本研究以麻櫟木材為試材，在高溫?zé)崽幚砀G設(shè)置160、180、200 ℃進(jìn)行高溫?zé)崽幚碓囼?yàn)；采用恒溫恒濕試驗(yàn)箱，設(shè)置“溫度20 ℃-相對濕度65%”、“溫度40 ℃-相對濕度90%”2種環(huán)境，對高溫處理試樣進(jìn)行含水率平衡處理，測定試樣質(zhì)量和3個(gè)方向尺寸(軸向、弦向、徑向)；采用電熱鼓風(fēng)干燥箱，將含水率平衡處理后的試樣在103 ℃烘至絕干狀態(tài)，測定試樣質(zhì)量和3個(gè)方向尺寸；依據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，以木材平衡含水率、濕脹率(弦向、徑向、體積)、阻濕率、抗脹率為評價(jià)指標(biāo)，分析熱處理溫度對麻櫟木材尺寸穩(wěn)定性的影響。旨在為確定較適宜的麻櫟木材熱處理溫度、改善麻櫟木材的尺寸穩(wěn)定性、實(shí)現(xiàn)其高效加工利用提供參考。

1 材料與方法

試驗(yàn)材料：試材為麻櫟(Quercusacutissima)木材(產(chǎn)地：河南省信陽南灣林場)，平均胸徑40 cm，氣干密度為0.902 g/cm3。試材氣干后平均含水率為12%，將櫟木板材加工成(長×寬×厚)500 mm×120 mm×25 mm的規(guī)格板材若干，并4面刨光。挑選無可見缺陷的試樣32塊進(jìn)行高溫?zé)崽幚碓囼?yàn)；高溫?zé)崽幚斫Y(jié)束后，將板材鋸為(軸向×弦向×徑向)20 mm×20 mm×20 mm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸穩(wěn)定性測試試樣80塊。

儀器設(shè)備：高溫?zé)崽幚砀G，溫度范圍為室溫～240 ℃；電熱鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9070A)，溫度范圍為10～200 ℃，溫度波動(dòng)度為±1 ℃，溫度均勻度為±2.5 ℃；恒溫恒濕試驗(yàn)箱(LRHS-101-LH)，溫度范圍為0～150 ℃，濕度范圍為20%～98%，溫度波動(dòng)±0.5 ℃，濕度波動(dòng)±2%。

木材高溫?zé)崽幚碓囼?yàn)：高溫?zé)崽幚碓诟邷卣羝麩崽幚碓O(shè)備中進(jìn)行，以水蒸氣作為保護(hù)介質(zhì)。將試樣平均分為4組，其中1組作為對照組，其余3組分別進(jìn)行160、180、200 ℃的熱處理，有效熱處理時(shí)間均設(shè)定為4 h。

熱處理木材尺寸穩(wěn)定性測試：木材尺寸穩(wěn)定性試樣尺寸(軸向×弦向×徑向)為20 mm×20 mm×20 mm，每組20塊。采用電熱鼓風(fēng)干燥箱將試樣在103 ℃烘至絕干狀態(tài)，對試樣質(zhì)量和3個(gè)方向尺寸進(jìn)行測試；之后，采用恒溫恒濕箱進(jìn)行平衡處理，溫、濕度環(huán)境分別設(shè)定為“溫度20 ℃-相對濕度65%”、“溫度40 ℃-相對濕度90%”2種環(huán)境，待試樣含水率達(dá)到上述溫、濕度環(huán)境對應(yīng)的平衡含水率時(shí)，將試樣取出進(jìn)行質(zhì)量和3個(gè)方向(軸向×弦向×徑向)尺寸的測量。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1931—2009《木材含水率測定方法》、GB/T 1934.2—2009《木材濕脹性測定方法》計(jì)算木材的平衡含水率、濕脹率(弦向、徑向、體積)、阻濕率(EME)、抗脹率(EAS)。

Mc,e=[(me-m0)/m0]×100%；式中的Mc,e為木材的平衡含水率、me為試樣平衡時(shí)的質(zhì)量(單位為g)、m0為試樣絕干時(shí)的質(zhì)量(單位為g)。

αw=[(lw-l0)/l0]×100%；式中的αw為弦向(或徑向)的線濕脹率、lw為試樣平衡時(shí)弦向(或徑向)的尺寸(單位為mm)、l0為試樣絕干時(shí)弦向(或徑向)的尺寸(單位為mm)。

αVw=[(Vw-V0)/V0]×100%；式中的αVw為體積濕脹率、Vw為試樣吸濕至平衡時(shí)的體積(單位為mm3)、V0為試樣絕干時(shí)的體積(單位為mm3)。

EME=[(Mc-Mt)/Mc]×100%；式中的EME為木材的阻濕率、Mc為對照材平衡時(shí)的含水率、Mt為熱處理材平衡時(shí)的含水率。

EAS=[(αVc-αVt)/αVc]×100%；式中的EAS為木材的抗脹率、αVc為對照材的體積濕脹率、αVt為熱處理材的體積濕脹率。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理溫度對木材平衡含水率和阻濕率的影響

由表1可見：2種溫濕度環(huán)境中，熱處理材的平衡含水率明顯小于對照材，而隨熱處理溫度的升高木材平衡含水率降低幅度明顯增大?！皽囟?0 ℃-相對濕度65%”的環(huán)境中，與對照材相比，160 ℃熱處理材平衡含水率降低了3.13%，而200 ℃熱處理材平衡含水率降低了4.55%。“溫度40 ℃-相對濕度90%”的環(huán)境中，熱處理材平衡含水率比對照材降低幅度較小，160 ℃熱處理材平衡含水率降低了1.88%，而200 ℃熱處理材平衡含水率降低了3.27%。

表1 2種溫濕度環(huán)境中不同熱處理溫度的木材平衡含水率

試驗(yàn)結(jié)果表明：2種溫、濕度環(huán)境中，隨著熱處理溫度的升高，木材的阻濕率均呈增大趨勢?！皽囟?0 ℃-相對濕度65%”環(huán)境中，160、180、200 ℃時(shí)的阻濕率，分別為27.51%、35.48%、40.03%?！皽囟?0 ℃-相對濕度90%”環(huán)境中，160、180 ℃時(shí)的木材阻濕率，分別為9.49%、11.43%，而200 ℃時(shí)的阻濕率為15.44%。熱處理材在“溫度20 ℃-相對濕度65%”環(huán)境中的阻濕率，明顯優(yōu)于“溫度40 ℃-相對濕度90%”環(huán)境中的阻濕率，說明熱處理木材對高溫高濕環(huán)境的阻濕效果不明顯。

從試驗(yàn)結(jié)果中熱處理對木材平衡含水率和阻濕率的影響可看出，熱處理明顯降低了木材的吸濕性。這主要是由于經(jīng)過熱處理后木材部分半纖維素發(fā)生熱解，強(qiáng)親水性的羥基自由基數(shù)量減少；以及木材半纖維素的多聚糖分子鏈上的乙酰在高溫高濕的條件下容易發(fā)生水解而生產(chǎn)乙酸，從而導(dǎo)致木材細(xì)胞中親水基團(tuán)羰基數(shù)量減少。此外，在半纖維素水解產(chǎn)生的乙酸催化作用下，木材細(xì)胞壁中木質(zhì)素成分發(fā)生酯化反應(yīng)，使得強(qiáng)親水基團(tuán)羥基轉(zhuǎn)化為親水性較弱的羰基[14-15]。

2.2 熱處理溫度對木材濕脹率和抗脹率的影響

由表2可見：2個(gè)溫濕度環(huán)境中，隨熱處理溫度的升高，木材濕脹率均呈現(xiàn)不同程度的降低?！皽囟?0 ℃-相對濕度65%”環(huán)境中，與對照組相比較，160、180、200 ℃熱處理時(shí)，弦向濕脹率分別降低了0.36%、0.82%、1.32%，徑向濕脹率分別降低了0.11%、0.37%、0.48%，體積濕脹率分別降低了0.31%、1.14%、1.74%?！皽囟?0 ℃-相對濕度90%”環(huán)境中，與對照組相比較，160、180、200 ℃熱處理時(shí)，弦向濕脹率分別降低了1.12%、2.59%、3.48%，徑向濕脹率分別降低了0.28%、0.70%、1.37%，體積濕脹率分別降低了0.56%、3.01%、4.72%。試驗(yàn)結(jié)果表明，160 ℃熱處理對麻櫟木材濕脹率的影響較??；熱處理對徑向濕脹率的影響較小，主要影響弦向濕脹率，進(jìn)而影響體積濕脹率。

表2 經(jīng)不同熱處理溫度處理的麻櫟木材在2種溫濕環(huán)境時(shí)的的濕脹率

表3可見：①“溫度20 ℃-相對濕度65%”環(huán)境中，弦向、徑向、體積抗脹率均隨熱處理溫度的升高而增大。其中，體積抗脹率增幅最大，由熱處理溫度160 ℃時(shí)的5.34%增加至200 ℃時(shí)的30.28%，增幅高達(dá)24.94%；熱處理溫度為180 ℃時(shí)，弦向、徑向、體積抗脹率差別不大，而其他兩個(gè)溫度時(shí)均為弦向抗脹率大于徑向、體積抗脹率。②“溫度40 ℃-相對濕度90%”環(huán)境中，熱處理溫度對木材抗脹率的影響，與“溫度20 ℃-相對濕度65%”環(huán)境的相類似，弦向、徑向、體積抗脹率同樣隨熱處理溫度的升高而增大；與弦向、徑向抗脹率相比，體積濕脹率增幅更為明顯。熱處理溫度為180、200 ℃時(shí)，弦向抗脹率最大，體積抗脹率次之，而徑向抗脹率最小。試驗(yàn)結(jié)果表明，高溫?zé)崽幚砜捎行岣吣静牡目姑浡?，熱處理溫度越高，抗脹率越大。對于麻櫟木材而言，熱處理材弦向抗脹率高于徑向，說明熱處理對弦向尺寸穩(wěn)定性的提高效果更為明顯。付宗營等[10]研究了輻射松(Pinupsradiata)熱處理材在“溫度40 ℃-相對濕度90%”環(huán)境中的抗脹率，認(rèn)為徑向抗脹率最大，體積抗脹率次之，而弦向抗脹率最??；得出的結(jié)論與本研究試驗(yàn)結(jié)果相反，說明熱處理對針葉材和闊葉材抗脹率的影響存在差異。

表3 經(jīng)不同溫度熱處理的木材在2種溫濕環(huán)境時(shí)的抗脹率

3 結(jié)論

熱處理麻櫟木材所達(dá)到的平衡含水率明顯小于對照材；隨熱處理溫度的升高，木材平衡含水率降低，阻濕率增大，說明熱處理降低了木材的吸濕性。

熱處理材在“溫度20 ℃-相對濕度65%”環(huán)境的阻濕率，明顯優(yōu)于“溫度40 ℃-相對濕度90%”環(huán)境的阻濕率，說明熱處理木材對高溫高濕條件的阻濕效果不明顯。

160 ℃熱處理對麻櫟木材濕脹率的影響較小；熱處理對徑向濕脹率的影響較小，主要影響弦向濕脹率，進(jìn)而影響體積濕脹率。

高溫?zé)崽幚砜捎行岣吣静牡目姑浡?，熱處理溫度越高，抗脹率越大；對于麻櫟木材，熱處理材弦向抗脹率高于徑向抗脹率，熱處理對弦向尺寸穩(wěn)定性的提高效果更為明顯。